福田昭のセミコン業界最前線
Intelが世界最高密度の3D NANDフラッシュを試作
～国際メモリワークショップ(IMW) 2020レポート
2020年6月1日 10:55
半導体メモリ技術の研究開発に関する国際学会「国際メモリワークショップ(2020 IEEE 12th International Memory Workshop:IMW 2020)」が、初めてのバーチャルカンファレンスとして2019年5月17日～20日に開催された(参考記事:MicronがDRAM開発の新たなロードマップを示す)。最終日である20日には、恒例の閉会挨拶が実施された。
クロージング・リマークでは始めに、IMW 2020の参加登録者数が公表された。参加登録者数は192名で、前回(2019年)の238名から約2割の減少である。
参加登録者数の地域別内訳は、アジアが最も多く85名で44%を占める。前回でアジアからは90名が参加したので、参加者数はあまり変わっていない。米国は66名で34%を占める。前回(米国で開催)の117名から大きく減少し、半分近くとなった。欧州は41名で21%である。当初は欧州での開催が予定されていたこともあり、前回の31名から増加した。
クロージング・リマークでは、過去6年間の参加登録者数の推移も示した。過去最高の参加者を集めたのは、前々回(2018年)の京都開催である。345名に達した。今回は当然ながら、京都開催には及ばず、前回の米国モントレー開催からも減少した。この減少傾向が一時的なものなのか、バーチャルカンファレンスになったことの影響なのか、といったことが分かるには次回以降の開催状況を見てからになる。
次回の国際メモリワークショップはドイツのドレスデンで開催
クロージング・リマークでは、次回の開催場所と日程が公表されることが恒例となっている。過去、IMWは初回(2009年)の米国(カリフォルニア州モントレー)から、アジア、米国、欧州、米国、アジア、米国という順番で開催されてきた。隔年で米国開催、隔年でアジアまたは欧州で開催、という順序である。2019年は米国で開催したので2020年は当初、欧州(ドイツのドレスデン)での開催を予定していた。しかし新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の世界的な流行によって2020年はバーチャルカンファレンスとなった。
2021年のIMWは、2020年の開催予定地だったドイツのドレスデンで実施される。日程の詳細はこれからだ。
ドレスデンはドイツの東端に位置する古都で、東端の州であるザクセン州の州都でもある。ドレスデンとその周辺は「シリコン・サクソニー(Silicon Saxony)」と呼ばれ、半導体メーカーや半導体製造装置・材料メーカー、半導体研究機関などが集中する地域となっている。
Intelが開発してきた最先端の3D NANDフラッシュ技術
すでに報じた(参考記事)ように、5月18日のキーノート講演セッションでは、3件の招待講演が実施された。「最先端DRAM」(Micron Technology)、「高密度3D NANDフラッシュメモリ」(Intel)、「超高速3D NANDフラッシュメモリ(XL-FLASH)」(キオクシア)である。ここではIntelによる高密度3D NANDフラッシュの講演(論文番号1-2)から、興味深かった部分を簡単にご紹介しよう。
2D NANDのフローティングゲートを3D NANDでも採用
Intelはキーノート講演で、同社とMicron Technologyの共同開発による3D NANDフラッシュメモリの歴史を振り返るとともに、最新の開発状況を説明した。IntelとMicron Technologyの共同開発チームによる3D NANDフラッシュメモリの特徴は、メモリセル技術にフローティングゲート(FG)方式を採用していることだ。
NANDフラッシュメモリのメモリセル技術には大別すると、フローティングゲート(FG:Floating Gate)技術とチャージ・トラップ(CT:Charge Trap)技術がある。FG技術のメモリセルは、セルトランジスタの制御ゲートとチャンネルの間に電気的に浮いている状態のゲート(フローティングゲート)があり、フローティングゲートに電荷を注入することでデータを書き込む(具体的には、セルトランジスタのしきい値を変化させる)。
CT技術のメモリセルは、制御ゲートとチャンネルの間のゲート絶縁膜を酸化膜と窒化膜の積層構造とすることで、ゲート絶縁膜の内部に電荷を捕獲(トラップ)する準位を数多く作り込む。この捕獲準位に電荷を注入することでデータを書き込む。
3D NANDフラッシュメモリが主流になる以前、すなわちプレーナー型(2次元あるいは2D)のNANDフラッシュメモリでは、FG技術が主流だった。NANDフラッシュメモリ技術が2次元から3次元に移行したとき、Intel-Micron連合を除く大手メーカーはFG技術をやめてCT技術を採用した。3D NANDフラッシュ製造技術でもっとも難しいとされるメモリスルーホールの製造ではCT技術の方がFG技術より簡素である、ということがCT技術を採用した大きな理由だとみられる。
しかしIntel-Micron連合だけは、3D NANDフラッシュでもFG技術を採用した。製造の複雑さというデメリットを許容しつつも、データ保持特性と高温特性、制御性ではCT技術よりもFG技術が良好である点を高く評価したからだ。
32層から64層、96層へと高層化
Intel-Micron連合が過去に開発してきた3D NANDフラッシュ技術は3世代にわたる。第1世代はワード線の積層数で32層のメモリスルーホールとTLC(3bit/セル)方式の多値記憶を組み合わせたシリコンダイで、記憶容量は384Gbitに達する。
特筆すべきなのは、このときすでに「CuA(CMOS under the Array)」と呼ぶ、周辺回路とメモリセルアレイを積層する技術を一部の回路(ワード線ドライバとページバッファ)で実現していたことだ。なお第1世代品の開発時期は2015年であり、本格的な商品展開には至らなかったようだ。
第2世代は積層数を2倍の64層(32層✕2スタック)に増やしたシリコンダイで、TLC方式およびQLC(4bit/セル)方式の多値記憶技術と組み合わせて製品化された。TLC方式の記憶容量は512Gbitと第1世代の1.33倍に増えた。逆にシリコンダイ面積は第1世代の3分の2に小さくなった。TLC方式のチップは2017年に開発され、本格的に商品化された。
第2世代の特徴は、CuA技術を本格的に導入したことにある。CMOS周辺回路のほとんどをメモリセルアレイの下に配置することで、シリコンダイ面積を削減した。第1世代と第2世代でシリコンダイ写真を比べると、第1世代では端部に周辺回路のブロックがレイアウトされているのに対し、第2世代では周辺回路がほとんど見えない。
第2世代のもう1つの特徴は、多値記憶にQLC方式を採用したことだ。QLC方式を採用すると、原理的には記憶密度がTLC方式の1.33倍に向上する。QLC方式の採用によって、Intel-Micron連合はシリコンダイ当たりの記憶容量が1Tbit(1,024Gbit)と過去最大の3D NANDフラッシュメモリを2018年に製品化した。このチップはIntelのクライアントSSD「660P」に採用された。
最新世代である第3世代では、積層数を1.5倍の96層(48層✕2スタック)とさらに高層化した。まず、TLC方式と組み合わせることで512Gbitのシリコンダイを開発した。記憶容量は第2世代と同等であり、シリコン面積は約76%に減少した。
次に96層技術とQLC方式と組み合わせることで1,024Gbitのシリコンダイを開発した。このシリコンダイの記憶密度は8.9Gbit/平方mmに達しており、3D NANDフラッシュとしては過去最高の密度になっていることを講演で明らかにした。なおこのチップはIntelのクライアントSSD「665P」に採用されているとみられる(参考記事)。
講演では、64層のQLCチップまたは96層のQLCチップを搭載したSSDをIntelは1,000万台以上出荷しており、QLCチップの量産実績があることを強調していた。
独自開発路線に戻ったIntelの今後
IntelとMicroは2018年1月に、3D NANDフラッシュの共同開発プログラムは第3世代で打ち切ることを公表済みだ(参考記事)。すでにIntelは第4世代から、独自開発の道を歩んでいる。
第4世代の3D NANDフラッシュメモリでは、ワード線の積層数を144層と高層化する(参考記事)。メモリセル技術はFG技術を維持する。2019年9月時点では製品化時期を2020年内としていたが、今回のキーノート講演では144層の開発についてはふれなかった。
キーノート講演で将来技術としてふれたのは、多値記憶技術である。1個のメモリセルに5bitを書き込む多値記憶技術「PLC(Penta Level Cell)」をテストした結果を示した。講演後の質疑応答によると、96層の3D NANDフラッシュメモリに2ステップで書き込んだ結果だという。
PLC技術を導入すると、原理的には記憶密度はQLC技術の1.25倍に高まる。一方、96層から144層に高層化すると、原理的には記憶密度は1.5倍に向上する。両者を組み合わせると、原理的には記憶密度が1.875倍になる。144層の3D NANDフラッシュが始めからPLC技術を採用するとは考えにくいが、将来は記憶密度を1.875倍に増やせる可能性がある。すなわち、3D NANDフラッシュの記憶密度は現在の2倍に増やせる。今後が期待できる数字だ。